DE19515781A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ladungsschichtung bei Ottomotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladungsschichtung bei Ottomotoren.

Bei Ladungsschichtung in einem Ottomotor wird Kraftstoff so in einen Brennraum des Motors eingebracht, daß eine Kraftstoff­ hauptmenge ein mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch (z. B. λ = 1,5 bis 3,0) bildet und im Bereich einer Zündkerze ein fettes Kraft­ stoff/Luft-Gemisch (z. B. λ = 0,85 bis 1,3) angereichert wird. Dieses fette Kraftstoff/Luft-Gemisch wird durch die Zündkerze gezündet, wobei dann auch das magere, an sich nicht zündfähige Kraftstoff/Luft-Gemisch mit einem hohen Luftüberschuß abbrennt. Durch den Luftüberschuß werden sehr günstige Abgaswerte erhal­ ten.

In MTZ Motortechnische Zeitschrift, 35. Jahrgang, Nr. 10, Okto­ ber 1974, S. 307 bis 313 sind zwei Möglichkeiten zur Erzeugung einer Ladungsschichtung angegeben. Eine Ausführungsmöglichkeit eines Schichtlademotors besteht in der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in einen ungeteilten Brennraum, wobei die Schich­ tung durch eine gerichtete Drallbewegung der Luft erzeugt wird. Hierdurch wird das Gemisch in Zündkerzennähe angereichert und bleibt noch zündfähig, auch wenn es insgesamt sehr mager ist. Entscheidenden Einfluß auf die Funktionstüchtigkeit dieses Sy­ stems haben Einspritzdruck und Einspritzrichtung des Kraftstof­ fes, die Lagezuordnung zwischen Zündkerze und einer Einspritzdü­ se und vor allem die Strömungsgeschwindigkeit der Luft. Da die Intensität des Luftdralles der Motordrehzahl proportional ist, ergeben sich Schwierigkeiten beim Betrieb in einem großen Dreh­ zahl- und Lastbereich, wie er für Fahrzeugmotoren typisch und erforderlich ist.

Eine Ladungsschichtung kann auch durch einen geteilten Brennraum realisiert werden, also mit Hilfe einer Nebenkammer. In diesem Fall wird in einen Zylinder ein mageres Gemisch angesaugt, wäh­ rend die Anreicherung in der Nebenkammer mittels einer Ein­ spritzdüse oder eines zusätzlichen Einlaßsystems erfolgt. Diese Ausführungen sind grundsätzlich von Drehzahl- und Laständerungen unabhängig und daher für Fahrzeugmotoren gut geeignet.

Ein solcher Schichtlademotor mit Nebenkammern ist auch in MTZ Motortechnische Zeitschrift, 34. Jahrgang, Nr. 4, April 1973, S. 130, 131 beschrieben. Dieser Schichtlademotor ist der sogenannte CVCC-Motor von Honda, der in einem kleinen Personenwagen einge­ baut wird und minimale Abgaswerte bezüglich CO, CH und NO_x er­ reicht. Nachteilig an diesem Motor ist, daß auf Grund der Neben­ kammern der Wirkungsgrad abnimmt und der Kraftstoffverbrauch um etwa 10% gegenüber herkömmlichen Ottomotoren ohne Nebenkammern steigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unkompliziertes Verfahren zur Ladungsschichtung in einem Ottomotor zu schaffen, das über einen großen Last- und Drehzahlbereich des Motors mini­ male Schadgaswerte bei einem optimierten, geringen Kraftstoff­ verbrauch ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Rahmen der Erfindung konnte festgestellt werden, daß insbe­ sondere bei einer an sich bekannten Druckstoßeinspritzung bei kleinen Einspritzungen die kleinen Kraftstofftröpfchen beim zerstäubenden Einspritzen in einen Brennraum - derzeit noch unerklärbar - stark abgebremst werden und eine Kraftstoff in feiner Verteilung aufweisende lokalisierbare Ladungswolke bil­ den. Größere Wolken von Kraftstofftröpfchen werden nicht so stark und im wesentlichen nur in ihren Randbereichen abgebremst, so daß der Kern der größeren Kraftstoffwolke weiter in den Brennraum eindringen und sich dort optimal verteilen kann. Dies hat zur Folge, daß eine kleine Kraftstoffzündmenge in den Be­ reich des Zündfunkens der Zündkerze mit einem zur Zündung ge­ eigneten Gemischverhältnis plaziert werden kann. Eine weit vor dem Zündzeitpunkt eingespritzte dosierte erste Kraftstoffhaupt­ menge ist dabei bereits optimal verteilt, weil ein relativ gro­ ßer Zeitraum zur Verteilung bzw. Verwirbelung der Kraftstoff­ hauptmenge zur Verfügung steht. Die Kraftstoffhauptmenge wird hierbei lastabhängig und so dosiert, daß ein mageres, fein ver­ teiltes Kraftstoff/Luft-Gemisch entsteht.

Da der Kraftstoff bei der Druckstoßeinspritzung unter hohem Druck eingespritzt wird, können relativ große Kraftstoffmengen in sehr kurzen Zeitintervallen eingespritzt werden, so daß der Zeitraum deutlich vor dem oberen Totpunkt für eine Voreinsprit­ zung der Kraftstoffhauptmenge und eine davon zeitlich beabstan­ dete Nacheinspritzung um den Totpunkt der Kraftstoffzündmenge genutzt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Verwendung einer doppelt wirkenden Druckstoß-Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die ein Förderkolbenelement aufweist, das zwischen zwei Druckkammern angeordnet ist und sowohl bei einer ersten Druckstoßbewegung Kraftstoff aus einer ersten Druckkammer als auch bei einer Rück­ lauf- bzw. Zurückbewegung Kraftstoff aus der zweiten Druckkammer fördern kann. Damit können mit relativ kurzen zeitlichen Abstän­ den zwei Kraftstoffmengen gefördert werden, wobei der zeitliche Abstand dem geforderten Abstand zwischen dem Einspritzen der Kraftstoffhauptmenge und dem Einspritzen der Kraftstoffzündmenge entspricht. Diese Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist für die Ladungsschichtung besonders vorteilhaft. Sie arbeitet nach dem Festkörper-Energiespeicher-Prinzip, wonach hohe Abspritzdrücke über extrem zeitlich kurze Einspritzintervalle erzeugt werden können, und eine sich schnell wiederholende Betätigung auch bei extrem hohen Drehzahlen (größer 10 000 U/min) bei sehr genau dosierbarer, lastabhängiger Kraftstoffmenge möglich ist.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden bei spiel­ haft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b schematisch die Anordnung einer Kraftstoff-Einspritz­ vorrichtung für die Ladungsschichtung in einem Zylin­ der eines Ottomotors;

Fig. 2 schematisch im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäß verwendeten Einspritzpum­ pe;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den in Fig. 2 abgebildeten Anker;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 2 abgebildeten Ventilkörper;

Fig. 5 schematisch im Längsschnitt ein zweites Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäß verwendeten Einspritz­ pumpe;

Fig. 6 schematisch einen zeitlichen Ablauf von Vor- und Nach­ einspritzung bezüglich des Zündzeitpunkts.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ladungsschichtung wird bei Ottomotoren angewandt, wobei Kraftstoff mit hohem Druck sehr kurzzeitig in einen Brennraum 2 mit einer Einspritzpumpe 1 ein­ gespritzt wird (Fig. 1a). Der Brennraum 2 ist in an sich bekann­ ter Weise durch einen Zylinder 3, einen Zylinderkopf 4 und einen Kolben 5 begrenzt. Am Zylinderkopf 4 ist eine Zündkerze 6 und ein Einspritzventil 7 für eine direkte Einspritzung in den Brennraum 2 eingebracht. Das Einspritzventil 7 ist über eine Kraftstofförderleitung 8 mit der Einspritzpumpe 1 verbunden.

Der Einspritzpumpe 9 wird aus einem Kraftstofftank 10a über eine Kraftstoffpumpe 10b von einer Kraftstoffzufuhrleitung 10c ein gegebenenfalls unter Vordruck stehender Kraftstoff zugeführt. Die Einspritzpumpe 1 und die Zündkerze 6 werden von einer Steu­ ereinrichtung 11 gesteuert, die mit mehreren Sensoren zur Wahr­ nehmung des Motorzustandes verbunden ist, wie z. B. einem Tempe­ raturfühler 11a, einem Drosselklappensensor 11b und einem Kur­ belwinkelsensor 11c.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu einem frühen Zeit­ punkt eine variable, d. h. mengenmäßig lastabhängige erste Kraftstoffmenge, die Kraftstoffhauptmenge, in den Brennraum 2 eingespritzt. Die Kraftstoffhauptmenge ist so dosiert, daß sich bei einer Vermischung z. B. einer Verwirbelung während eines Kol­ benhubs mit einer angesaugten Luftmenge ein mageres ggfs. nicht zündfähiges Gemischverhältnis von λ 1,5 einstellt. Hierauf wird eine zweite Kraftstoffmenge, die Kraftstoffzündmenge, in den Brennraum 2 in den Bereich der Zündkerze 6 eingespritzt, die ein fetteres Gemischverhältnis, beispielsweise von λ = 0,85 bis 1,3, aufweist, das mit der Zündkerze 6 gezündet wird. Die daraus resultierende Flammenfront breitet sich im Kraftstoff/Luft-Ge­ misch relativ gleichmäßig aus, wobei aufgrund der voreingestell­ ten bzw. vorgewählten Gemischverhältnisse ideale Abgaswerte er­ zielt werden.

Der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Tat­ sache, daß große Kraftstoffmengen bei den verwendeten hohen Einspritzdrücken von beispielsweise über 40 bar eine Wolke z. B. in Form einer Keule 9a bildet, die von dem im Brennraum enthal­ tenen Gas nicht schon in der Nähe des Einspritzventils 7 abge­ bremst wird, sondern mit vorherbestimmbarer Verbreitung in den Brennraum dringt und sich dort verteilt. Kleinere zerstäubte Kraftstoffmengen werden aufgrund des hohen Drucks unmittelbar beim Eintritt in den Brennraum 2 in der Nähe des Einspritzven­ tils 7 abgebremst. Wird diese Kraftstoffwolke so plaziert, daß sie in den Funkenbereich der Zündkerze 6 reicht, kann sie gezün­ det werden. Insofern ist es zweckmäßig, das Einspritzventil 7 benachbart zur Zündkerze 6 anzuordnen in einer aufeinanderzuge­ richteten V-förmigen Stellung (Fig. 1a, 1b).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht man somit auf über­ raschend einfache Art und Weise eine optimierbare Ladungsschich­ tung durch getrennte Einspritzung eines mageren Kraftstoff/Luft- Gemischs und eines fetten Kraftstoff/Luft-Gemischs in denselben Brennraum, ohne daß es notwendig ist, den Brennraum mit einer Nebenkammer für eine Einspritzung auszubilden. Die Direktein­ spritzung führt zu einer wesentlichen Reduktion des Kraftstoff­ verbrauchs im Vergleich zu herkömmlichen Schichtlademotoren mit Nebenkammern.

Der von der Kraftstoffmenge abhängige Zerstäubungs- und Abbrems­ effekt, der wohl auf mengenabhängigen, sprunghaft sich ändernden Strömungsbedingungen beruht, bietet ferner den Vorteil, daß kleinere Kraftstoffhauptmengen mit ihrem Zentrum näher an der Zündkerze verbleiben als größere Kraftstoffhauptmengen, so daß eine gezielte Beeinflussung zwischen der fetteren Kraftstoff­ wolke 9b der eingespritzten Kraftstoffzündmenge und der mageren Kraftstoffkeule 9a der Kraftstoffhauptmenge möglich ist. Hier­ durch ist das erfindungsgemäße Verfahren von drehzahl- und last­ abhängigen unerwünschten Schwankungen unabhängig, weil das Vor- und Nacheinspritzen der Kraftstoffhauptmenge bzw. der Kraftstoffzündmenge sowohl bei kleineren als auch bei größeren Kraftstoffhauptmengen optimiert erfolgen kann.

Zwischen dem früheren Zeitpunkt der Voreinspritzung und dem spä­ teren Zeitpunkt der Nacheinspritzung steht ein relativ großer Zeitraum zur Verfügung, so daß sich eine große Kraftstoffhaupt­ menge im Brennraum 2 z. B. durch Verwirbeln mit der angesaugten Luft homogen verteilen kann. Das so erzeugte Kraftstoff/Luft- Gemisch ist seinerseits im Brennraum 2 sehr homogen verteilt. Da die Kraftstoffzündmenge, die bei hoher Last sehr viel geringer als die Kraftstoffhauptmenge ist, erst kurz vor oder gleichzei­ tig mit dem Zündzeitpunkt in den Bereich der Zündstelle der Zündkerze 6 eingespritzt wird, wird gezielt eine inhomogene Verteilung von Kraftstoff und Luft im Brennraum 2 herbeigeführt. Der Zeitraum zwischen der Voreinspritzung und der Nacheinsprit­ zung entspricht zweckmäßigerweise einer Kurbelwellenwinkeldiffe­ renz von etwa 40° bis 100° und liegt im Lastbereich des Ottomo­ tors vorzugsweise bei über 60°.

Vorzugsweise wird der zeitliche Abstand zwischen dem früheren Zeitpunkt der Voreinspritzung und dem späteren Zeitpunkt der Nacheinspritzung proportional zur Kraftstoffhauptmenge gesteu­ ert, so daß bei großer Kraftstoffhauptmenge eine homogene Ver­ teilung letzterer sichergestellt ist und eine kleine Kraftstoff­ hauptmenge nicht schon so weitgehend diffundiert ist, daß sie derart abgemagert und von der durch die Kraftstoffzündmenge gebildeten Kraftstoffwolke 9b entfernt ist, daß sie nicht mehr abgebrannt werden kann. Die Hauptkraftstoffmenge kann variabel bzw. lastabhängig gesteuert werden, wobei im Leerlauf der Motor sogar nur mit der Kraftstoffzündmenge, also ohne Hauptkraft­ stoffmenge, betrieben werden kann. Bei hohen Lasten kann die Kraftstoffhauptmenge z. B. das 10fache der Kraftstoffzündmenge betragen.

Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angelegte Einspritzdruck z. B. des Druckstoßes ist größer oder gleich 40 bar und liegt vorzugsweise im Bereich um 60 bar. Bei einem Einspritzdruck von 60 bar wird mit herkömmlichen Einspritzdüsen eine Kraftstoffein­ spritzgeschwindigkeit von etwa 50 m/s erzielt. Die hohen Ein­ spritzgeschwindigkeiten sowie der hohe Einspritzdruck bewirken offenbar die von der Kraftstoffmenge abhängigen Zerstäubungs- und Abbremseffekte, die bei der erfindungsgemäß verwendeten Doppeleinspritzung zu der optimalen Ladungsschichtung führt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß verwendeten Hubkolbenpumpe 1 ist in den Fig. 2 bis 4 dargestellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen verwen­ det, die als elektromagnetisch angetriebene, doppelt wirkende Hubkolbenpumpe 1 ausgebildet ist und nach dem Energiespeicher­ prinzip arbeitet, so daß Kraftstoff mit kurzen Druckstößen in die Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Die Hubkolbenpumpe 1 weist ein im wesentlichen langgestrecktes zylinderförmiges zweiteiliges Pumpengehäuse mit einem ersten und zweiten Pumpengehäuseteil 15, 15a auf mit einer mittigen Anker­ bohrung 16, zwei Ventilbohrung 17, 17′ und zwei Druckkammerboh­ rungen 18, 18′ die jeweils hintereinander im Pumpengehäuse 15, 15a eingebracht sind und einen sich durch das gesamte Pumpenge­ häuse 15, 15a erstreckenden Durchgang bilden.

Die Ankerbohrung 16 ist in Längsachsrichtung zwischen den Ven­ tilbohrungen 17, 17′ und den Druckkammerbohrungen 18, 18′ an­ geordnet. Die Bohrungen 16, 17, 17′, 18, 18′ sind konzentrisch zur Längsachse 19 des Pumpengehäuses 15, 15a angeordnet, wobei die Ankerbohrung 16 und die Druckkammerbohrung 18, 18′ jeweils einen größeren Innendurchmesser als die Ventilbohrungen 17, 17′ aufweisen, so daß die Ankerbohrung 16 und die Ventilbohrungen 17, 17′ durch erste Ringstufen 21, 21′ und die Ventilbohrungen 17, 17′ und die Druckkammerbohrungen 18, 18′ durch zweite Rings­ tufe 22, 22′ voneinander abgesetzt sind.

Eine Richtung parallel zur Längsachse 19, die von dem zweiten Pumpengehäuseteil 15a in Richtung zum ersten Pumpengehäuseteil 15 gerichtet ist, wird als Druckstoßrichtung 27 definiert.

Die Bohrungen 16, 17, 17′, 18, 18′ sind etwa spiegelsymmetrisch zu einer Quermittenebene 12 der Hubkolbenpumpe 1 angeordnet, wobei die in Druckstoßrichtung 27 vor (in Fig. 2 rechts von der Ebene 12) der Ebene 12 angeordneten Bauteile eine erste Förder­ pumpe 13 und die in Druckstoßrichtung 27 hinter (in Fig. 2 links von der Ebene 12) der Quermittenebene 12 angeordneten Bauteile eine zweite Förderpumpe 14 bilden.

Gleiche Bauteile der z. B. als Vorförderpumpe dienende erste Förderpumpe 13 und der z. B. als Nachförderpumpe dienende För­ derpumpe 14 werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeich­ net, wobei die Bezugszeichen der Nachförderpumpe 14 mit einem Beistrich (′) versehen sind, weil die Bauteile im wesentlichen gleiche Raumformen aufweisen. Als axiale Richtungsangabe wird für die nachfolgende Beschreibung in den Bohrungen 16, 17, 17′, 18 und 18′ "nach innen" als in Richtung zur Ebene 12 und "nach außen" als von der Quermittenebene 12 weggerichtet festgelegt.

Die Ankerbohrung 16 begrenzt in Radialrichtung einen Ankerraum 23, in dem ein etwa zylinderförmiger Anker 24 in Längsachsrich­ tung hin- und herbeweglich angeordnet ist. Der Ankerraum ist axial in Richtung zur Vorförderpumpe 13 durch eine erste Ring­ stufe 21 und in Richtung zur Nachförderpumpe 14 durch eine erste Ringstufe 21′ begrenzt, wobei letztere eine Stirn- bzw. An­ schlagfläche 25 des zweiten Gehäuseteils 15a ausgebildet ist. Das zweite Gehäuseteil 15a ist in ein axial offenes Ende der An­ kerbohrung 16 des ersten Gehäuseteils 15 mit einem zylinderför­ migen Gewindeabschnitt 26 eingeschraubt.

Der Anker 24 ist aus einem im wesentlichen zylinderförmigen Körper mit einer in Stoßrichtung 27 bezüglich der ersten Förder­ pumpe 13 vorderen und hinteren Stirnfläche 28, 29 und einer Mantelfläche 30 ausgebildet. Von der hinteren Stirnfläche 28 bis etwa zur Längsmitte des Ankers 24 erweitert sich der Radius stetig, so daß der Anker 24 dort konisch ausgebildet ist und eine von hinten nach vorne verlaufende Kegelfläche 31 hat. Der Anker 24 ist mit Spiel zwischen seiner Mantelfläche 30 und der Innenfläche der Ankerbohrung 16 eingesetzt, so daß bei einer Hin- und Herbewegung des Ankers 24 in der Ankerbohrung 16 dieser die Innenfläche der Ankerbohrung 16 nur bei Verkippungen be­ rührt, wodurch die Reibung zwischen dem Anker 24 und der Anker­ bohrung 16 gering gehalten wird. Durch das Vorsehen des koni­ schen Bereichs 31 am Anker 24 wird die Berührungs- und damit die Reibfläche weiter vermindert, wodurch die Reibmöglichkeit zwi­ schen dem Anker 24 und der Innenfläche der Ankerbohrung 16 und somit auch die Wärmeentwicklung weiter verringert wird. Der Anker 24 ist im Bereich seiner Mantelfläche 30 mit zumindest einer, vorzugsweise zwei oder mehreren in Längsachsrichtung verlaufenden Nuten 32 versehen.

Der Anker 24 weist zwei im Querschnitt betrachtet etwa halb­ kreisförmige (Fig. 3), diametral sich gegenüberliegend angeord­ nete Segmente 24a zwischen denen flache Nuten 32 angeordnet sind. Zentral im Anker 24 ist in Längsachsrichtung eine durch­ gehende Bohrung 33 eingebracht.

Die Bohrung 33 des Ankers 24 wird von einem Förderkolbenrohr 35 durchsetzt, das einen zentralen Durchgangsraum 36 bildet, wobei es den Anker 24 beidseitig überragt.

Das Förderkolbenrohr 35 ist kraftschlüssig mit dem Anker 24 verbunden. Die Einheit aus Förderkolbenrohr 35 und Anker 24 wird nachfolgend auch als Förderkolbenelement 44 bezeichnet. Das Förderkolbenelement 44 kann auch einteilig bzw. einstückig aus­ gebildet sein.

Der Anker 24 und das Förderkolbenrohr 35 weisen zwei senkrecht zur Längsachse 19 verlaufende Bohrungen 33a auf, die im Anker 24 eine Verbindung zwischen dem Durchgangsraum 36 und den Nuten 32 bzw. dem Ankerraum 23 herstellen.

An der in Druckstoßrichtung 27 vorderen bzw. in Richtung zur Vorförderpumpe 13 angeordneten Stirnringfläche 29 des Ankers 24 sitzt ein erster Stützring 37 aus Kunststoff, der vom Förderkol­ benrohr 35 formschlüssig durchgriffen wird. Auf dem Stützring 37 stützt sich nach vorne eine Ankerfeder 38 ab, die sich bis zu einem entsprechenden korrespondierenden zweiten Stützring 39 aus Kunststoff erstreckt. Dieser Ring 39 sitzt auf der ersten Ring­ stufe 21 in der Ankerbohrung 16.

In den Ventilbohrungen 17, 17′ sitzt form- und kraftschlüssig jeweils ein Führungsrohr 40, 40′, wobei sich das Führungsrohr 40 der Vorförderpumpe 13 nach hinten in den Ankerraum 23 in den Bereich innerhalb der Ankerfeder 38 erstreckt und das Führungs­ rohr 40′ der Nachförderpumpe 14 in der Ventilbohrung 17′ kurz vor der Stirnringfläche 25 des hinteren Gehäuseteils 15a endet und nicht in den Ankerraum 23 ragt. An den axial äußeren Enden der Führungsrohre 40, 40′ ist jeweils ein radial nach außen vorstehender Ringsteg 41, 41′ vorgesehen, der sich an der je­ weils zweiten Ringstufe 22, 22′ in Richtung nach innen abstützt. Die Ringstege 41, 41′ erstrecken sich radial nicht bis an die Innenfläche der Druckkammerbohrungen 18, 18′, so daß zwischen den Ringstegen 41, 41′ und den Druckkammerbohrungen 18, 18′ jeweils ein schmaler, zylinderringförmiger Spalt 42, 42′ ver­ bleibt. Durch die Ringstege 41, 41′ sind die Führungsrohre 40, 40′ gegen eine axiale Verschiebung nach innen gesichert.

Das mit dem Anker 24 kraftschlüssig verbundene Förderkolbenrohr 35 erstreckt sich beidseitig axial nach außen bis in die beiden Führungsrohre 40, 40′, so daß das Förderkolbenrohr 35 sowohl an seinem vorderen Ende 45 als auch an seinem hinteren Ende 46 geführt wird. Durch diese zweiseitige Führung an den Enden 45, 46 des langgestreckten Förderkolbenrohres 35 wird das Förderkol­ benelement 44 verkippfrei geführt, so daß Reibungen zwischen dem Anker 24 und der Innenfläche der Ankerbohrung 16 weitgehend vermieden werden.

In dem axial außen liegenden Bereich der Führungsrohre 40, 40′ ist jeweils ein Ventilkörper 50, 50′ axial verschiebbar gela­ gert, der jeweils einen im wesentlichen zylinderförmigen, lang­ gestreckten, zapfenförmigen Vollkörper mit einer äußeren und inneren Stirnfläche 51, 51′, 52, 52′ und einer Mantelfläche 53, 53′ bildet. Der Außendurchmesser der Ventilkörper 50, 50′ ent­ spricht jeweils der lichten Weite des Durchgangs in den Füh­ rungsrohren 40, 40′. An den Mantelflächen 53, 53′ der Ventilkör­ pers 50, 50′ ist jeweils ein Ringsteg 54, 54′ vorgesehen, der etwa am Ende des äußeren Drittels der Ventilkörpers 50, 50′ angeordnet ist. Die Ringstege 41, 41′ der Führungsrohre 40, 40′ bilden für die Ringstege 54, 54′ der Ventilkörper 50, 50′ ein Widerlager, so daß diese nicht weiter nach innen verschoben werden können. Die Ventilkörper 50, 50′ sind an ihrem Umfang mit jeweils drei in Längsachsrichtung verlaufenden flachen, breiten Nuten 55, 55′ versehen (Fig. 4). Die Ringstege 54, 54′ sind im Bereich der Nuten 55, 55′ jeweils unterbrochen. Die Anzahl, Anordnung oder Form der Nuten 55, 55′ kann auch in anderer Art und Weise ausgeführt werden.

Die inneren Stirnflächen 52, 52′ der Ventilkörper 50, 50′ sind an ihrem Randbereich konisch ausgebildet und wirken als Ventil­ sitz mit den Stirnflächen der Enden 45, 46 des Förderkolbens 35 zusammen. Die Raumformen der Enden 45, 46 des Förderkolbenrohres 35 sind als Ventilsitz an die inneren Stirnflächen 52, 52′ der Ventilkörper 50, 50′ angepaßt, indem jeweils die Innenkante des Förderkolbenrohres 35 angefast ist und die Wandung des Förder­ kolbenrohres 35 innen etwas abgetragen ist. Das Förderkolbenrohr 35 bildet somit mit seinen Enden 45, 46 jeweils einen Ventilsitz 57, 57′ für die Ventilkörper 50, 50′. Liegen die Ventilkörper 50, 50′ mit ihren inneren Stirnflächen 52, 52′ an den Ventilsit­ zen 57, 57′ an, so ist jeweils der Durchgang durch das Rohr 35 und die im Bereich der Mantelflächen der Ventilkörper 50, 50′ eingebrachten Nuten 55, 55′ versperrt.

Die aus den Führungsrohren 40, 40′ nach vorne in die Druckkam­ merbohrungen 18, 18′ vorstehenden Bereiche der Ventilkörper 50, 50′ sind jeweils von einem Druckkammerkörper 60, 60′ umgeben, die jeweils aus einer Zylinderwandung 61, 61′ und einer äußeren Stirnwandung 62, 62′ bestehen, wobei in die Stirnwandungen 62, 62′ zentral jeweils ein Loch bzw. eine Bohrung 63, 63′ einge­ bracht ist. Die Druckkammerkörper 60, 60′ stecken mit ihren zylinderförmigen Wandungen 61, 61′ form- und kraftschlüssig in den Druckkammerbohrungen 18, 18′, wobei sie mit ihren an den freien Enden der Zylinderwandungen 61, 61′ liegenden Stirnflä­ chen 64, 64′ an den nach außen vorstehenden Ringstegen 41, 41′ der Führungsrohre 40, 40′ anliegen. Die Druckkammerkörper 60, 60′ weisen an ihren Stirnflächen 64, 64′ eine vertikal verlau­ fende Nut 65, 65′ auf.

Die Druckkammerkörper 60, 60′ begrenzen mit ihren Innenräumen jeweils eine Druckkammer 66, 66′, in die die Ventilkörper 50, 50′ eintauchen und den in den Druckkammern 66, 66′ befindlichen Kraftstoff unter Druck setzen können. Die Druckkammern 66, 66′ haben an ihrem inneren Bereich, der sich etwa über die Hälfte der Länge des Druckkammerkörpers 60 bzw. 60′ erstreckt, eine größere lichte Weite als im äußeren Bereich. Die größere lichte Weite im inneren Bereich ist so bemessen, daß die Ventilkörper 50, 50′ mit ihren Ringstegen 54, 54′ und einem geringen Spiel in die Druckkammern 66, 66′ eintauchen können, wohingegen die lich­ te Weite des vorderen Bereiches so bemessen ist, daß nur für die von den Ringstegen 54, 54′ sich nach vorne erstreckenden Berei­ che des Ventilkörpers 50 und jeweils eine diese Bereiche umge­ benden Schraubenfeder 67, 67′ ausreichend Raum ist. Hierdurch sind die Druckkammern 66, 66′ nur geringfügig größer ausgebil­ det, als der beim Einspritzvorgang ausgeführten Stoßbewegung der Ventilkörper 50, 50′ beanspruchte Raum.

Die Schraubenfedern 67, 67′ sitzen mit ihren Enden innen auf den Stirnwandungen 62, 62′ der Druckkammerkörper 60, 60′ und liegen mit ihren anderen Enden an den Ventilkörpern 50, 50′ und ins­ besondere an dessen Ringstegen 54, 54′ an, so daß sie die Ven­ tilkörper 50, 50′ und die Druckkammerkörper 60, 60′ auseinander­ drücken.

Die Druckkammerkörper 60, 60′ sind nach außen bzw. in Einspritz­ richtung nach vorne durch jeweils ein Anschlußstück 70, 70′ axial fixiert, die in die nach außen offenen Enden der Druckkam­ merbohrungen 18, 18′ geschraubt sind. Die Anschlußstücke 70, 70′ begrenzen die Lage der Druckkammerkörper 60, 60′ axial nach außen, so daß durch die Schraubenfedern 67, 67′ und die Druck­ kammerkörper 60, 60′ die Ventilkörper 50, 50′ nach innen vor­ gespannt sind. Außenseitig sind die Anschlußstücke mit jeweils einer Mündung 71, 71′ zum Anschließen einer Kraftstofförderlei­ tung 72, 72′ (Fig. 1) ausgebildet. Die Anschlußstücke 70, 70′ weisen eine in Längsachsrichtung durchgehende Bohrung 73, 73′ auf, in der jeweils ein Standdruckventil 74, 74′ untergebracht ist. Die Standdruckventile 74, 74′ sind vorzugsweise angrenzend zu dem Druckkammerkörper 60, 60′ angeordnet, so daß sich die Druckkammern 66, 66′ nach außen nicht weiter erstrecken und kleinvolumig ausgebildet sind.

Die Kraftstofförderleitungen 72, 72′ können an ein gemeinsames Einspritzventil 7 (Fig. 1a) oder an jeweils ein Einspritzventil 7, 7′ (Fig. 1b) angeschlossen sein. Bei Verwendung zweier Ein­ spritzventile 7, 7′ ist vorzugsweise das mit der Nachförderpumpe 14 verbundene Einspritzventil 7′ so ausgebildet, daß es den Kraftstoff feiner zerstäubt als das mit der Hauptförderpumpe 13 verbundene Einspritzventil.

Die Druckkammerkörper 60, 60′ sind an ihren Außenflächen mit einer Ringnut 68, 68′ versehen, in der jeweils ein Kunststoff­ dichtring 69, 69′, lagert, der die Druckkammerkörper 60, 60′ gegenüber den Innenflächen der Druckkammerbohrungen 18, 18′ abdichtet.

Für die Zufuhr von Kraftstoff ist an den beiden Pumpengehäuse­ teilen 15, 15a jeweils eine Kraftstoffzufuhr-Öffnung 76, 76′ im Bereich der Druckkammerbohrungen 18, 18′ eingebracht, so daß sie in die Nuten 65, 65′ der Druckkammerkörper 60, 60′ münden. Au­ ßenseitig in den Pumpengehäuseteilen 15, 15′ sind die Kraft­ stoffzufuhr-Öffnungen 76, 76′ jeweils von einer Fassung 77, 77′ für jeweils ein Kraftstoffzufuhr-Ventil 78, 78′ umgeben, die in die Fassung 77, 77′ geschraubt ist. Die Kraftstoffzufuhr-Ventile 78, 78′ sind als Einwegventile mit einem Ventilgehäuse 79, 79′ ausgebildet. Die Ventilgehäuse 79, 79′ weisen jeweils zwei axial fluchtende Bohrungen 80, 81 bzw. 80′, 81′ auf, wobei die pumpen­ gehäuseseitigen Bohrungen 80, 80′ einen größeren Innendurchmes­ ser als die Bohrungen 81, 81′ haben, so daß zwischen den beiden Bohrungen eine Ringstufe ausgebildet ist, die jeweils einen Ventilsitz 82, 82′ für Kugeln 83, 83′ bilden. Die Kugeln 83, 83′ sind jeweils durch eine Feder 84, 84′, die sich an der Gehäuse­ wandung der Gehäuseteile 15, 15a im Bereich der Kraftstoffzu­ fuhr-Öffnungen 76, 76′ abstützten, gegen die Ventilsitze 82, 82′ vorgespannt, so daß unter Druck von außen zugeführte Kraftstoff die Kugeln 83, 83′ von den Ventilsitzen 82, 82′ heben kann und Kraftstoff durch die Bohrungen 80, 80′, die Kraftstoffzufuhr- Öffungen 76, 76′ und die Nuten 65, 65′ in die Druckkammerbohrun­ gen 18, 18′ bzw. in die Druckkammern 66, 66′ gelangt.

Von den Druckkammern 66, 66′ erstreckt sich durch die Nuten 55, 55′ der Ventilkörper 50, 50′, zwischen den Ventilsitzen 57, 57′ des Förderkolbenrohres 35 und den inneren Stirnflächen 52, 52′ der Ventilkörper 50, 50′, wenn diese auf Abstand angeordnet sind, durch den Durchgangsraum 36 des Förderkolbenrohres 35 und den Bohrungen 33a im Hubkolbenelement 44 ein Durchgang bis in den Ankerraum 23.

Am Peripheriebereich der auf der Seite der Vorförderpumpe 13 angeordneten ersten Ringstufe 21 ist eine nach außen führende Bohrung 90 als Kraftstoff-Ablauföffnung eingebracht. Die Bohrung 90 wird außen durch einen Anschlußstutzen 91 zum Anschluß einer Kraftstoff-Rücklaufleitung 92 (Fig. 1) verlängert.

Das zweite Pumpengehäuseteil 15a weist angrenzend an den zylin­ derförmigen Gewindeabschnitt 26 eine umlaufende radial nach außen vorstehende Ringstufe 93 auf. Die Ringstufe 93 dient unter anderem auch zur axialen Fixierung eines das erste Pumpengehäu­ seteil 15 außen umgreifenden Spulengehäusezylinders 95. Der Spulengehäusezylinder 95 besteht aus einer ersten, breiten Zy­ linderwandung 96 und aus einer zweiten, schmalen Zylinderwandung 97 mit kleinerem Innendurchmesser als die erste Zylinderwandung 96, die miteinander über einen sich radial erstreckenden Ring­ steg 98 einstückig verbunden sind. Der Spulengehäusezylinder 95 wird mit seiner ersten Zylinderwandung 96 nach vorne zeigend auf das erste Gehäuseteil 15 aufgeschoben, bis die erste Zylinder­ wandung 96 an einer vom ersten Pumpengehäuseteil 15 nach außen vorstehenden Gehäusewandung 100 anstößt und so eine Ringkammer 101 mit etwa rechteckigem Querschnitt zur Aufnahme einer Spule 102 begrenzt.

Der Spulengehäusezylinder 95 ist somit zwischen der Gehäusewan­ dung 100 und der Ringstufe 93 des zweiten Gehäuseteils 15′ ein­ geklemmt und in ihrer Axiallage fixiert. Die zweite Zylinderwan­ dung 97 des Spulengehäusezylinders 95 ist am inneren Rand ihrer zur Nachförderpumpe 14 zeigenden Stirnfläche angefast, wobei zwischen der darin ausgebildeten Fase, dem ersten Gehäuseteil 15 und der Ringstufe 93 ein Dichtungsring 103, wie z. B. ein O- Ring, eingeklemmt ist.

Die Spule 102 ist im Querschnitt etwa rechteckförmig und in einem im Querschnitt U-förmigen Tragkörperzylinder 104 mittels Epoxidharz eingegossen, so daß die Spule 102 und der Tragkörper­ zylinder 104 ein einteiliges Spulenmodul bilden. Der Tragkörper­ zylinder 104 hat eine Zylinderwandung 105 und zwei Seitenwandun­ gen 106, 107, die radial nach außen von der Zylinderwandung 105 abstehen und den Raum für die Spule 102 begrenzen, wobei sich die Zylinderwandung 105 seitlich über die hintere Seitenwandung 106 hinaus erstreckt, so daß deren Stirnfläche 108, die Stirn­ flächen 109 der Seitenwandungen 106, 107 und die Innenflächen der Zylinderwandung 106 und die vordere Seitenwandung 107 form­ schlüssig in der Ringkammer 101 anliegen.

In dem Bereich des ersten Pumpengehäuseteils 15, der zwischen der Spule 102 und dem Ankerraum 23 angeordnet ist, ist ein Mate­ rial mit geringer magnetischer Leitfähigkeit z. B. Kupfer, Alu­ minium, rostfreier Stahl 110 zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses zwischen der Spule 102 und dem Anker 24 einge­ bracht.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäß verwen­ deten Einspritzvorrichtung erläutert.

Ist der Stromfluß durch die Spule 102 unterbrochen, so wird der Anker 24 durch die Ankerfeder 38 nach hinten gegen die Stirn­ bzw. Anschlagfläche 25 des zweiten Gehäuseteils 15a gedrückt, an welcher der Anker 34 mit seiner rückseitigen Stirnfläche 49 anliegt. Das ist die Ausgangsstellung des Ankers 24, bei der das Förderkolbenrohr 35 mit seinem in Richtung zur Vorförderpumpe 13 zeigenden Ventilsitz 57 von der hinteren Stirnfläche 52 des Ventilkörpers 50 mit einem Abstand s_v beabstandet angeordnet ist. In dieser Ausgangsstellung beaufschlagt das Förderkolbenrohr 35 mit dem Ventilsitz 57′ den Ventilkörper 50′ der Nachförderpumpe 14 gegen die Federwirkung der Schraubenfeder 67′, so daß der Ringsteg 54′ des Ventilkörpers 50′ mit einem Abstand s_RR vom Ringsteg 41′ des Führungsrohres 40′ beabstandet ist.

In dieser Ausgangsstellung wird vom Kraftstofftank 10a mittels der Kraftstoffpumpe 10b und der Kraftstoffzufuhrleitung 10c ein unter einem Vordruck stehender Kraftstoff durch das Kraftstoff­ zufuhr-Ventil 78 in die Druckkammer 66 der Vorförderpumpe 13 zugeführt. Von der Druckkammer 66 strömt der Kraftstoff durch die im Mantelbereich des Ventilkörpers 50 eingebrachten Nuten 55 durch das Führungsrohr 40 in den Spalt zwischen dem Ventilsitz 57 des Förderkolbenrohres 35 und der inneren Stirnfläche 52 des Ventilkörpers 50 und in den Durchgangsraum 36 des Förderkolbens 35. Aus dem Durchgangsraum 36 des Förderkolbens 35 strömt der unter Druck stehende Kraftstoff durch die Bohrungen 33a durch das Förderkolbenrohr 35 und den Anker 24 hindurch und flutet den Ankerraum 23. Die Bereiche des Ankerraums 23 vor und hinter dem Anker 24 sind durch die im Anker 24 eingebrachten Nuten 32 mit­ einander kommunizierend verbunden, so daß der gesamte Ankerraum 23 mit Kraftstoff gefüllt wird. Durch die Bohrung 90 und den Anschlußstutzen 91 wird der Kraftstoff zurück in den Kraftstoff­ tank 111 geleitet.

Somit besteht in der Ausgangsstellung des Förderkolbenelements 44 ein sich vom Kraftstoffzufuhr-Ventil 78 über die Druckkammer 66 der Vorförderpumpe 13, dem Durchgangsraum 36 des Förderkol­ bens 35, den Bohrungen 33a im Hubkolbenelement 44, dem Ankerraum 23, der Bohrung 90 und dem Anschlußstutzen 91 erstreckender Strömungsweg für den Kraftstoff, so daß Kraftstoff kontinuier­ lich zugeführt und durch den Strömungsweg hindurch gespült wird, wobei die Druckkammer 66 der Vorförderpumpe 13 immer mit fri­ schem, kühlem Kraftstoff direkt aus dem Kraftstofftank 10a ver­ sorgt und geflutet wird.

Der durch die Kraftstoffpumpe 10b erzeugte Vordruck ist einer­ seits größer als der im Strömungsweg entstehende Druckabfall, so daß eine kontinuierliche Spülung der Hubkolbenpumpe 1 gewähr­ leistet ist, und ist andererseits kleiner als der Durchlaßdruck des Standdruckventils 74, so daß in der Ausgangsstellung des Förderkolbenelements 44 kein Kraftstoff von der Hubkolbenpumpe 1 zur Einspritzdüse 2 gefördert wird.

Wird die Spule 102 durch Anlegen eines elektrischen Stromes erregt, wird durch das hierbei erzeugte Magnetfeld der Anker 24 in Richtung zur Vorförderpumpe 13 bewegt und führt eine Bewegung aus, die den Ventilkörper 50 der Vorförderpumpe 13 für eine Voreinspritzung betätigt. Der Bewegung des Hubkolbenelements 44 (= Anker 24 und Förderkolbenrohr 35) wirkt während eines Vorhu­ bes über die Länge s_v (entspricht dem Abstand zwischen dem Ven­ tilsitz 57 des Förderkolbenrohres 35 und der inneren Stirnfläche 52 des Ventilkörpers 50 in der Ausgangsstellung) nur die Feder­ kraft der Ankerfeder 38 entgegen. Die Federkraft der Ankerfeder 38 ist so weich ausgebildet, daß der Anker 24 nahezu ohne Wider­ stand bewegt wird, aber dennoch genügt die Federkraft, um den Anker 24 in seine Ausgangsstellung zurückzuführen. Der Anker 24 "schwimmt" in dem mit Kraftstoff gefüllten Druckraum 23, wobei der Kraftstoff zwischen den Bereichen vor und hinter dem Anker 24 im Ankerraum 23 beliebig hin- und herströmen kann, so daß kein dem Anker 24 entgegenstehender Druck aufgebaut wird. Das Förderkolbenelement 44, das aus dem Anker 24 und aus dem Förder­ kolbenrohr 35 besteht, wird somit kontinuierlich beschleunigt und speichert kinetische Energie.

Während der Stoßbewegung des Hubkolbenelements 44 in Richtung zur Vorförderpumpe 13 wird der Ventilkörper 50′ der Nachförder­ pumpe 14 auf Grund der Federwirkung der Schraubenfeder 67′ mit dem Hubkolbenelement 44 mitbewegt, bis sein Ringsteg 54′ an dem Ringsteg 41′ des Führungsrohres 40′ anliegt. Hierbei wird das Volumen der Druckkammer 66′ der Nachförderpumpe 14 vergrößert, so daß über das Kraftstoff-Zufuhr-Ventil 78′ "frischer" bzw. blasenfreier Kraftstoff angesaugt wird. Nachdem das Hubkolben­ element 44 einen Vorhub über die Wegstrecke s_R (entspricht dem Abstand zwischen dem Ringsteg 59′ des Ventilkörpers 50′ vom Ringsteg 41′ des Führungsrohres 40′ in der Ausgangsstellung des Hubkolbenelements 44) ausgeführt hat, löst sich der Ventilsitz 57′ von der inneren Stirnfläche 52′ des Ventilkörpers 50′, so daß sich zwischen der Stirnfläche 52′ und dem Ventilsitz 57′ ein Abstand ausbildet, der einen Durchgang von der Druckkammer 66′, durch die Nuten 55′ in den Durchgangsraum 36 des Förderkolben­ rohres 35 bildet. Somit bildet sich während der Stoßbewegung des Hubkolbenelements 44 ein durchgehender Strömungsweg vom Kraft­ stoff-Zufuhr-Ventil 78′ zum Ankerraum 23 bzw. der Bohrung 90.

Am Ende des Vorhubs s_v schlägt das Förderkolbenelement 44 mit dem Ventilsitz 57 auf die innere Stirnfläche 52 des Ventilkörpers 50 der Vorförderpumpe 13 auf, so daß dieser schlagartig nach außen gedrückt wird. Da das Förderkolbenrohr 35 mit seinem Ventilsitz 57 nun an der inneren Stirnfläche 52 des Ventilkörpers 50 an­ liegt, ist der Strömungsweg von der Druckkammer 66 der Vorför­ derpumpe 13 zu dem Durchgangsraum 36 des Förderkolbenrohres 35 unterbrochen, so daß der Kraftstoff aus der Druckkammer 66 nicht mehr nach hinten entweichen kann. Der Kraftstoff wird somit durch den Stoß und die weitere Vorschubbewegung des Ventilkör­ pers 50 aus der Druckkammer 66 verdrängt, wobei er unter Druck steht. Das Kraftstoffzufuhr-Ventil 78 ist hierbei geschlossen, da sich in der Druckkammer und in der Bohrung 80 des Kraftstoff­ zufuhr-Ventils 78 ein Druck aufbaut, der größer ist als der Druck, mit dem der Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe zugeführt wird. Ab einem vorbestimmten Druck öffnet sich dann das Stand­ druckventil 74, so daß auf den in der Förderleitung zwischen der Einspritzdüse 2 und der Hubkolbenpumpe 1 befindlichen Kraftstoff ein vorbestimmter Druck ausgeübt wird, der beispielsweise bei 60 bar liegt und durch den Durchlaßdruck der Einspritzdüse 2 fest­ gelegt ist. Mit dem Aufschlagen des Förderkolbenelements 44 wird somit die in der Bewegung des Förderkolbenelements 44 gespei­ cherte Energie schlagartig auf den in der Druckkammer 66 befind­ lichen Kraftstoff übertragen.

Die Zeitdauer, während dessen die Magnetspule 102 erregt und das Hubkolbenelement 44 bewegt wird, bestimmt den vom Ventilkörper 50 zurückgelegten Weg beim Verdrängen von Kraftstoff in der Druckkammer 66, wodurch der durch die Vorförderpumpe 13 geför­ derte Kraftstoff proportional zum zurückgelegten Weg des Ventil­ körpers 50 bzw. proportional zum Zeitintervall, währenddessen die Magnetspule 102 unter Strom geschaltet wird, ist. Der maxi­ male Förderweg kann ein Vielfaches des Abstandes s_v zwischen dem Ventilsitz 57 und der inneren Stirnfläche 52 des Ventilkörpers 50 in der Ausgangsstellung des Hubkolbenelements 44 betragen.

Die Kraftstofförderung der Vorförderpumpe 13 wird durch Strom­ losschalten der Magnetspule 102 beendet, worauf das Hubkolben­ element 44 durch die Federwirkung der Ankerfeder 38 in seine Ausgangsstellung zurückbewegt wird und eine Rückstoßbewegung ausführt, um den Ventilkörper 50′ der Nachförderpumpe 14 für eine Nacheinspritzung zu betätigen. Befindet sich der Anker 24 im Abstand s_R von der Anschlagfläche 25, so schlägt das Hubkol­ benelement 44 mit seinem in Richtung zur Nachförderpumpe 14 zeigenden Ventilsitz 57′ auf den Ventilkörper 50′ auf und schiebt diesen in die Druckkammer 66′, wobei Kraftstoff aus der Druckkammer 66′ verdrängt wird. Der Anker 24 trifft auf die Anschlagfläche 25 auf, wodurch der Hub s_R der Nachförderpumpe 14 schlagartig abgebrochen wird und sich das Hubkolbenelement 44 wieder in seiner Ausgangsstellung befindet.

Die Rückstoßbewegung des Hubkolbenelements 44 kann auch zeitlich verzögert werden, indem nach Beendigung der Kraftstofförderung mit der Vorförderpumpe 13 die Magnetspule nicht stromlos ge­ schaltet wird, sondern der Stromwert für ein vorbestimmtes Ver­ zögerungszeitintervall auf ein Niveau abgesenkt wird, das das Hubkolbenelement 44 nicht mehr in Stoßrichtung 27 bewegt und seine Rückbewegung auf Grund der Federwirkung der Ankerfeder 38 hemmt, so daß das Hubkolbenelement 44 mit einer zeitlichen Ver­ zögerung auf den Ventilkörper 50′ aufschlägt. Hierdurch kann der zeitliche Abstand zwischen der Kraftstofförderung der Vorför­ derpumpe 13 und der Kraftstofförderung der Nachförderpumpe 14 gesteuert werden.

Die vom Ventilkörper 50′ zurückgelegte Wegstrecke s_R während des Einspritzvorganges der Nachförderpumpe 14 ist bei jedem Nachför­ derhub gleich lang, so daß mit der Nachförderpumpe 14 immer die gleiche Kraftstoffmenge pro Einspritzvorgang eingespritzt wird. Diese konstante Einspritzmenge wird vorzugsweise so gewählt, daß sie dem Kraftstoffbedarf des daran angeschlossenen Motors im Leerlaufbetrieb entspricht.

Der Hub s_v der Vorförderpumpe 13 ist vorzugsweise größer oder gleich dem Hub s_R der Nachförderpumpe (s_v s_R), so daß der voll­ ständige Förderhub der Nachförderpumpe 14 ausgeführt werden kann, ohne daß eine Kraftstofförderung an der Vorförderpumpe 13 erfolgt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß verwendeten Hubkolbenpumpe 1 ist in Fig. 5 dargestellt.

Die Hubkolbenpumpe 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die oben beschriebene Hubkolbenpumpe 1, so daß Teile mit gleicher Raumform und glei­ cher Funktion mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Die Hubkolbenpumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in seiner Längserstreckung kürzer ausgebildet als die Hubkolbenpum­ pe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Verkürzung im wesentlichen durch die Verwendung von Kugeln 50a, 50a′ als Ven­ tilkörper erzielt wird. Die Ringstege 41, 41′ der Führungsrohre 40, 40′ bilden für die Kugeln 50a, 50a′ ein Widerlager, so daß diese nicht weiter nach innen verschoben werden können, wobei die Ringstege 41, 41′ mit einem an die Kugelform angepaßten Kugelsitz 41a, 41a′ ausgebildet sind, so daß die Kugeln 50a, 50a′ bereichsweise formschlüssig an den Ringstegen 41, 41′ an­ liegen können.

Die Kugeln 50a, 50a′ weisen eine glatte Oberfläche auf, weshalb in die Kugelsitze 41a, 41a′ Nuten 41b, 41b′ eingebracht sind, die die Druckkammern 66, 66′ mit dem Spalt zwischen den Ventil­ sitzen 57, 57′ des Förderkolbenrohres 35 und den Oberflächen der Kugeln 50a, 50a′ verbinden, wenn diese auf Abstand zu den Vetil­ sitzen 57, 57′ angeordnet sind. Durch das Vorsehen der Nuten 41b, 41b′ wird die Spülung durch das Förderkolbenrohr 35 ermög­ licht.

Mit zunehmender Motorlast steigt auch der Kraftstoffbedarf des Motors. Selbst im Betriebszustand hoher Last kann mit der erfin­ dungsgemäßen doppeltwirkenden Hubkolbenpumpe 1 eine Ladungs­ schichtung erzielt werden, bei der die Kraftstoffhauptmenge fein verteilt ist, da die Kraftstoffhauptmenge mit der Vorförderpumpe 13 weit vor dem Zündzeitpunkt und auf Grund des hohen Einspritz­ druckes (beispielsweise 60 bar) innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls eingespritzt wird, so daß sich eine große Kraft­ stoffmenge sehr homogen verteilen kann und auch bei hoher Last ideale Verbrennungszustände ermöglicht werden.

Die erfindungsgemäße doppeltwirkende Hubkolbenpumpe 1 kann bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit einem einzigen Ein­ spritzventil 7 pro Zylinder 3 verwendet werden, wobei sowohl die Vorförderpumpe 13 als auch die Nachförderpumpe 14 über eine sich verzweigende Kraftstofförderleitung mit dem Einspritzventil verbunden sind. Es können jedoch auch zwei Einspritzventile 7 verwendet werden, wobei jeweils ein Einspritzventil von der Vorförderpumpe 13 bzw. Nachförderpumpe 14 gespeist wird. Das mit der Vorförderpumpe 13 verbundene Einspritzventil 7 ist bei­ spielsweise so ausgebildet, daß es den Kraftstoff im Brennraum fein zerstäubt, wohingegen die mit der Nachförderpumpe 14 ver­ bundene Einspritzdüse den Kraftstoff insbesondere sehr fein zerstäubt und nahe an der Zündquelle angeordnet ist, so daß das Kraftstoff-Luftgemisch in der nacheingespritzen Teilmenge sicher entflammt werden kann.

Durch die erfindungsgemäß verwendete doppeltwirkende Hubkolben­ pumpe 1 steigt der zeitliche Abstand zwischen der in der Menge variablen Voreinspritzung und der in der Menge konstanten Nach­ einspritzung wegen des vom Hubkolbenelement 44 während des Nach­ förderhubs zurückzulegenden Weges in etwa proportional mit der von der Vorförderpumpe 13 eingespritzten Menge, so daß der zur Verteilung im Brennraum zur Verfügung stehende Zeitraum vor der Zündung etwa proportional mit der Kraftstoffmenge zunimmt.

Ein typischer zeitlicher Verlauf von Voreinspritzung, Nachein­ spritzung und Zündung für eine mittlere Last und eine mittlere Drehzahl ist in Fig. 6 in bezug zu einem Kurbelwellenumlauf dargestellt. Die Winkelbereiche für die Vor- und Nacheinsprit­ zung sind in der oben angegebenen Art und Weise von der Last und der Drehzahl abhängig, wobei insbesondere zu berücksichtigen ist, daß ein bestimmter Winkelbereich bei steigender Drehzahl einem kleineren bzw. abnehmenden Zeitintervall entspricht, so daß sich die Winkelbereiche für Nach- und Voreinspritzung mit steigender Drehzahl vergrößern. Ein typisches Verhältnis der Winkelbereiche bei mittlerer Last und mittlerer Drehzahl ist 1 : 2 : 4 für die Zeiträume der Nacheinspritzung : Zeitabstand zwi­ schen Vor- und Nacheinspritzung : Voreinspritzung.

Die erfindungsgemäß verwendete doppeltwirkende Hubkolbenpumpe 1 ist für eine Doppeleinspritzung zur Ladungsschichtung besonders geeignet, weil zwei zeitlich exakt gesteuerte Hochdruckeinsprit­ zungen während eines Arbeitshubs des Hubkolbenelements erfolgen, wobei die zuerst eingespritzte Kraftstoffhauptmenge variabel und der Zeitraum zwischen Vor- und Nacheinspritzung proportional zur Kraftstoffmenge ist.

Claims (24)

1. Verfahren zur Ladungsschichtung in einem Ottomotor, bei dem der Kraftstoff mit hohem Druck, vorzugsweise über 40 bar, direkt in einen Brennraum eingespritzt wird, wobei eine erste lastabhängig variierende Kraftstoffhauptmenge zu einem frühen Zeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird und eine Kraftstoffzündmenge in denselben Brennraum zu einem späten Zeitpunkt in einen Bereich der Zündstelle der Zündkerze eingespritzt und gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen dem frühen und dem späten Zeitpunkt so bemessen ist, daß sich die Kraftstoffhauptmen­ ge mit einer angesaugten Luftmenge auf ein mageres Gemisch­ verhältnis von λ 1,5 vermischt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen dem frühen und dem späten Zeitpunkt proportional zur Kraftstoffhauptmenge gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck beim Einspritzen des Kraftstoffes etwa im Bereich von 60 bar liegt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffhauptmenge bei voller Motorlast etwa das 10fache der Kraftstoffzündmenge beträgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlauf keine Kraftstoffhauptmenge eingespritzt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung verwendet wird, die nach dem Festkörper-Energiespeicher-Prinzip arbeitet, und als Hubkolbenpumpe mit einem Förderkolbenelement (44) ausgebildet ist, das aus seiner Ausgangsstellung in Rich­ tung zu einer Druckkammer (66) bewegt wird, wobei es wäh­ rend einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase kinetische Energie speichert, die durch eine Stoßbewegung schlagartig auf in der Druckkammer (66) befindlichen Kraft­ stoff übertragen wird, so daß ein Druckstoß zum Abspritzen von Kraftstoff durch eine Einspritzdüseneinrichtung erzeugt wird, wobei eine zweite Druckkammer (66′) auf der der er­ sten Druckkammer (66) gegenüberliegenden Seite des Förder­ kolbenelements (44) derart angeordnet ist, daß die bei der Zurückbewegung des Förderkolbenelements (44) in seine Aus­ gangsstellung aufgenommene kinetische Energie auf einen in der zweiten Druckkammer (66′) befindlichen Kraftstoff über­ tragen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie bei der Zurückbewegung in die Ausgangsstellung während einer nahezu widerstandslosen Beschleunigungsphase gespeichert wird, und daß die gespei­ cherte kinetische Energie durch eine Rückstoßbewegung schlagartig auf den in der zweiten Druckkammer (66′) be­ findlichen Kraftstoff übertragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die widerstandslose Beschleunigungsphase unterbre­ chende und den Druckstoß in der ersten Druckkammer (66) erzeugende Mittel ein Ventil ist, das einen Ventilkörper (50) und einen am Förderkolbenelement (44) ausgebildeten Ventilsitz (57) umfaßt und zum Erzeugen des Druckstoßes die erste Druckkammer (66) schließt, wobei der Ventilsitz (57) und der Ventilkörper (50) an dem in Stoßrichtung vorne liegenden Ende (45) des Förderkolbenelements (44) angeord­ net sind, so daß die Druckkammer (66) räumlich getrennt vom Förderkolbenelement (44) ausgebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 8 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das die widerstandslose Beschleunigungsphase unterbre­ chende und den Druckstoß in der zweiten Druckkammer (66′) erzeugende Mittel ein Ventil ist, das einen Ventilkörper (50′) und einen am Förderkolbenelement ausgebildeten Ven­ tilsitz (57′) umfaßt und zum Erzeugen des Druckstoßes die zweite Druckkammer (66′) schließt, wobei der Ventilsitz (57′) und der Ventilkörper (50′) an dem in Rückstoßrichtung vorne liegenden Ende (46) des Förderkolbenelements (44) angeordnet sind, so daß die Druckkammer (66′) räumlich getrennt vom Förderkolbenelement (44) ausgebildet ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung als elektromagne­ tisch betätigte Hubkolbenpumpe (1) mit einer Magnetspule (102) und dem von der Spule (102) angetriebenen Förderkol­ benelement (44) ausgebildet ist, wobei das Förderkolben­ element (44) einen etwa zylinderförmigen Anker (24) und ein langgestrecktes Förderkolbenrohr (35) aufweist, wobei sich die Enden (45, 46) des Förderkolbenrohres (35) in Längs­ richtung über den Anker (24) hinaus erstrecken und jeweils formschlüssig und- in Längsachsrichtung verschiebbar in Ausnehmungen gelagert sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderkolbenrohr (35) kraftschlüssig mit dem Anker (24) verbunden ist, wobei an den Enden (45, 46) des Förder­ kolbenrohrs (35) jeweils einer der Ventilsitze (57, 57′) angeordnet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9 und 10 oder Anspruch 9 und 10 und Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ventilkörper (50 bzw. 50′) jeweils einen langgestreckten im wesentlichen zylinderförmigen Vollkörper bilden, der in einem Führungsrohr (40, 40′) axial ver­ schiebbar gelagert ist, wobei er an seinem Umfang mit in Längsrichtung verlaufenden Nuten (55 bzw. 55′) versehen ist, die einen Durchgang von einer der Druckkammern (66 bzw. 66′) in einen Durchgangsraum (36) innerhalb des För­ derkolbenrohres (35) bilden, wobei der Durchgang versperrt ist, wenn einer der Ventilsitze (57, 57′) am jeweiligen Ventilkörper (50 bzw. 50′) anliegt, wodurch die entspre­ chende Druckkammer (66 bzw. 66′) geschlossen ist.

14. Verfahren nach Anspruch 9 und 10 oder Anspruch 9 und 10 und/oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ventilkörper (50 bzw. 50′) eine Kugel (50a, 50a′) sind, wobei die Kugelsitze (41a, 41a′) vorgese­ hen sind, die für die Kugeln (50a, 50a′) ein Widerlager bilden, so daß sie nicht weiter nach innen verschoben wer­ den können, und die Kugelsitze (41a, 41a′) jeweils eine Nut (41b, 41b′ aufweisen, die einen Durchgang von einer der Druckkammern (66 bzw. 66′) in einen Durchgangsraum (36) innerhalb des Förderkolbenrohres (35) bilden, wobei der Durchgang versperrt ist, wenn einer der Ventilsitze (57, 57′) am jeweiligen Ventilkörper (50 bzw. 50′) anliegt, wodurch die entsprechende Druckkammer (66 bzw. 66′) ge­ schlossen ist.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der etwa zylinderförmige Anker (24) eine in Stoßrich­ tung vordere und hintere Stirnfläche (28, 29) und eine Mantelfläche (30) aufweist, und eine von der hinteren Stirnfläche (28) bis etwa zur Längsmitte des Ankers (24) von hinten nach vorne außen verlaufende Kegelfläche (31) aufweist.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolbenpumpe (1) ein Pumpengehäuse mit einer Ankerbohrung (16) aufweist, in der ein Ankerraum (23) durch die Ankerbohrung (16) in Stoßrichtung nach vorne durch eine erste Ringstufe (21) und in Stoßrichtung nach hinten durch eine zweite Ringstufe (22) begrenzt ist, in dem der Anker (24) durch eine Magnetspule (102) und eine in Längsachrich­ tung den Anker (24) beaufschlagende Ankerfeder (38) hin- und herbewegt wird, wobei der Anker (24) an seinem Mantel­ bereich mit einer in Längsachrichtung verlaufenden Nut (32) ausgebildet ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (24) seine Ausgangsstellung durch die Feder­ wirkung der Ankerfeder (38) einnimmt, wenn die Spule (102) stromlos geschaltet ist, wobei der in Richtung zur ersten Ventilkammer (66) gerichtete Ventilsitz (57) mit Abstand (s_v) zu einer korrespondierenden Stirnwandung (52) angeord­ net ist, und der in Richtung zur zweiten Druckkammer (66′) angeordnete Ventilsitz (57′) an der korrespondierenden Stirnfläche (52′) des entsprechenden Ventilkörpers (50′) anliegt, so daß dieser etwas in die Druckkammer (66′) ge­ drückt ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubkolbenelement (44) eine Bohrung (33a) aufweist, die den Durchgangsraum (36) innerhalb des Förderkolbenroh­ res (35) mit dem Ankerraum (23) verbindet, und daß der Ankerraum (23) über nach außen führende Bohrung (90) und einen Anschlußstutzen (91) mit einer Kraftstoff- Rücklaufleitung (92) verbunden ist.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammern (66, 66′) durch jeweils ein Stand­ druckventil (74, 74′) begrenzt sind, das sich ab einem vorbestimmten Druck öffnet und den Durchgang in eine Kraft­ stofförderleitung (72) zu einer Einspritzdüse (2) frei­ macht.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Druckkammer (66 bzw. 66′) nur geringfügig größer ist, als der beim Einspritzvorgang aus­ geführten Stoßbewegung des jeweiligen Ventilkörpers (50, 50′) beanspruchte Raum.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der ersten Druckkammer geförderte Kraftstoff­ menge in Abhängigkeit von der durch das Hubkolbenelement zurückgelegten Strecke während der Stoßbewegung gesteuert wird.

22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der zweiten Druckkammer geförderte Kraftstoff­ menge konstant ist.

23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubkolbenelement mittels einer Magnetspule betätigt wird und daß die erste Kraftstoffmenge über die Zeitdauer eines zur Erregung der Spule angelegten Strompulses gesteu­ ert wird.

24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzündmenge etwa dem Bedarf im Leerlauf­ betrieb entspricht und die Kraftstoffhauptmenge zu einem Zeitpunkt eingespritzt wird, der der Kurbelwellenstellung 60° oder mehr vor dem oberen Totpunkt (OT) entspricht.